EPON在广电网络中的应用.ppt

EPON在广电网络中的应用 唐明光2007 1 6 一 全光接入技术 PON 1 接入网现状目前接入网现有的解决方案和用户的需求之间存在着巨大差异 在用户侧的本地网络已经普遍拥有了支持10M和100M速率的能力 在城域网侧已经可以支持千兆和万兆的速率 在用户侧和城域网侧之间数据的传送却大部分为不足1M甚至只有几十K的速率 接入网仍是大容量局域网和骨干网之间的瓶颈 2 宽带接入网技术方案通信业界多年来一直认为 PON PassiveOpticalNetwork无源光网络 是接入网未来的方向 它在解決宽带接入问题上普遍被认可 无论设备和运行 护维 网管方面 它的成本相对便宜 提供的带宽足以应付未来的各种宽带业务需求 PON自从在20世纪80年代被采用至今 已历经了几个发展阶段 电信运营商和设备制造商开发了多种协议和技术以便使PON解决方案能更好的满足接入网市场需求 最初PON标准是基于ATM的 并由ITU FSAN定义了相应G 983建议 即APON 目前则有两个颇为引人注目的新的PON标准 其一是由ITU FSAN负责制定的用来替换APON标准的GigabitPON GPON 标准 其二是由IEEE802 3ah工作组负责制定的EthernetPON EPON 标准 1 ATM无源光网络 APON BPON APON是由ITU FSAN定义的 以ATM协议为载体 下行以155 52Mb s或622 08Mb s的速率发送连续的ATM信元 同时将物理层OAM信元插入数据流中 上行以突发的ATM的信元方式发送数据流 并在每个53字节长的ATM信元头增加3字节的物理层开销 用以支持突发发射和接收 APON提供非常丰富和完备的OAM 包括比特误码率的监视 告警和检测 自动发现和自动测距 并采用扰动策略作为实现下行数据加密的安全机制 下图为APON系统中传输协议的转换 APON协议层采用ATM 物理层采用PON 经过以21个全球主要电信运营商为主的FSAN 全业务接入网 集团的不懈努力 1998年10月通过了全业务接入网采用的ATM PON格式标准 ITU TG 983 1 2000年4月批准其控制通道规范的标准ITU TG 983 2 2001年又发布了关于波长分配的标准 ITU TG 983 3 利用波长分配增加业务能力的宽带光接入系统 APON标准G 983的基本特点是 基于ATM信元 对称 双向155 52Mb s 和非对称工作方式 下行622 08Mb s 上行155 52Mb s 最多能支持32个用户的光分支 最大传输距离20km 单纤或双纤操作 利用波长分配增加业务能力该标准是一个良好的开端 它为考核光纤接入设备供应商提出了一种现实的性能要求 世界上有不少厂家已在按此标准生产或开发基于ATM的宽带PON产品 如 Terawave QuantumBridge Alcatel Lucent OKI等公司 当电信公司开始部署更多的以太网和交换式以太网以传输高速数据和交换式数字视频业务时 为了满足电信公司不断增长的带宽需求 APON BPON在升级时可能存在困难 例如 APON BPON一般只能升级到下行 从中心局到用户驻地 622Mbps和上行155Mbps 并且在除去ATM开销后 可用 可出售 的带宽只有448Mbps 随着未来每用户带宽需求的增长 这将成为部署APON BPON的很大的一个障碍 并且很大程度限制了每个PON可服务的用户的数量 PON的一个主要好处就是能分担从中心局到用户的长距离干线的成本 如果这些干线的投资回报受限于每用户可用带宽的数量 那么整个PON的商业意义就没有了 2 GPON由于上述原因 多年前FSAN联盟和ITU开始了制定新PON标准的工作 新标准要能够满足迅速增长的带宽和业务需求 这个标准被称为GPON 已被ITU T批准 称为G 984 x GPON是语音 视频和数据业务的一种切实可行的方案 更重要的是 GPON以前所未有的经济性以原有格式支持传统通信业务 也支持未来向全分组 全IP网络的演进 GPON支持两种封装方式 ATM和GPON封装方式 GEM ATM方式是已有APON BPON标准的一种演进 所有的语音 视频和数据流在用户端被封装并被传回中心局 GEM方式 所有业务流使用SONET SDH通用成帧协议 GFP 的一种变种被映射并穿越GPON网络 GEM支持以固有格式传输语音 视频和数据 而无需附加ATM或IP封装层 使用GEM方式 GPON可以显著增加可利用带宽 GPON支持的下行速率高达2 5Gbps 上行速率从155Mbps到2 5Gbps 相对于APON BPON标准有极大的增加 GPON是ITU提出的G比特级的无源光网络 ITU在2003年正式通过并颁布了GPON标准系列中的三个标准 G 984 1 G 984 2和G 984 3 由于GPON标准是ITU在APON标准之后推出的 因此G 984标准系列不可避免的沿用了G 983标准的很多思路 GPON更注重多业务和QoS保证 因此更受运营商的青睐 但由于GPON标准复杂且开发较晚 因此目前GPON产品商品化阶段正在进行中 而ITU提出的GPON技术的主要目标是实现Gbit速率 并能支持多种业务 对所有业务最优化 3 EPON概述IEEE1998年发布完千兆以太网标准后 于2000年12月 IEEE802 3成立了第 英里以太网 EFM特别工作组 致力于研究如何支持三种接入网拓扑以及相应的物理层 铜线上以太网 EoVDSL 在750m上传送10Mbit s 点到点光纤上的以太网 在最长10km上传送1000Mbit s 点到多点光纤上的以太网 EPON 在最长10km上传送1000Mbit s 此外 该工作组还将定义以太网的运行 管理 维护 OAM 使它具有远端故障显示 远端环回和链路监测等功能 a 关于EPON标准世界上有几个主要组织负责开发PON的相关标准 EFM IEEE和FSAN ITU T就是其中的主要两个组织 FSAN ITU T 在二十世纪八十年代 世界上许多大的运营商将光接入网引到他们的网络中 可是其中的大部分停留在试验局阶段 主要原因是其高昂的费用以及当时少的可怜的业务需求 随着Internet的迅速普及 到了90年代大量的对带宽的需求又使宽带接入重新成为主流 1995年 7个主要的电信业务提供商发起并建立FullServiceAccessNetworks FSAN 全业务接入网组织 以加速光接入网的商用化 随后一些主要的设备制造商也加入到该组织中 包括 Alcatel Agere Broadlight Ericsson FlexLightNetworks Fujitsu 等公司 FSAN收集整理BPON APONandGPON的需求 并这些文档作为建议反馈给ITU T 第15研究组 FSAN ITU T已经制定出GPON标准G 984x EFM IEEE EFM是利用从用户办公室及家庭到通信运营商之间的连接线路直接传输以太网数据帧的规格 IEEE 国际电气和电子工程师协会 802委员会的802 3ah工作组为EPON使用点到多点以太网接入应用制定了标准 EthernetintheFirstMileAlliance 第一英里以太网联盟 则是一个支持基于802 3ah的EFM标准化的业界组织 EFMA的成员包括终端制造商 系统集成和通信运营商等 包括Alloptic Inc AnalogDevices BATMAdvancedCommunications Calix CiscoSystems ElasticNetworks Ericsson ExtremeNetworks Finisar FiberintheLoop Harmonic HatterasNetworks InfineonTechnologies Intel NTTGroup Paradyne PassaveTechnologies SpirentCommunications TexasInstruments andWorldWidePackets等 EFM有4个主要目标 支持由IEEE802 3ah制定的第一英里以太网标准 致力于集中技术资源促进关于技术规范的协调和统一 促进业界了解 接受和推动第一英里以太网技术和产品 协调各个设备制造商相互协作 鼓励和推动彼此之间的合作 b EPON发展现状EPON是几个最佳的技术和网络结构的结合 EPON采用点到多点结构 无源光纤传输方式 在以太网之上提供多种业务 目前 IP Ethernet应用占到整个局域网通信的95 以上 EPON由于使用了经济和高效的结构 是连接接入网最终用户的一种最有效的通信方法 10G以太主干和城域环的出现也将使EPON成为未来全光网中最佳的最后一英里的解决方案 在EPON产品方面 现在领先的有国际上有Salira Alloptic等新兴公司 也有一些老牌公司如NokiaBroadband QuantumBridge等 国内在EPON方面研发比较领先有华为公司 华中理工 武汉烽火等 如华为公司的多业务EPON支持上下行对称1 25G带宽 支持ONU的自动加入 支持TDM业务 提供动态 静态带宽分配 弹性保护倒换等功能 二 EPON工作原理 1 EPON的网络结构EPON系统是一个典型的光接入网 它由ITU T定义 如下图示 一套典型的EPON系统由OLT ONU ONT POS组成 OLT位于根节点 通过ODN与各个ONU相连 在下行方向 OLT提供面向无源光纤网络的光纤接口 在上行方向 OLT将提供了GE GigabitEthernet 将来10Gbit s的以太网技术标准定型后 OLT也会支持类似的高速接口 为了支持其他流行的协议 OLT还可支持ATM FR以及OC3 12 48 192等速率的SDH SONET的接口标准 OLT通过支持E1接口来实现传统的TDM话音的接入 在EPON的统一网管方面 OLT是主要的控制中心 实现网络管理的主要功能 POS PassiveOpticalSplitter 是无源光纤分支器 是一个连接OLT和ONU的无源设备 ONU放在用户驻地侧 接入用户终端 EPON网络结构如下图 OLT和ONU之间可以灵活组建成树形 环形 总线形 以及混合型 A 树型拓扑 B 总线型拓扑 C 环型全保护的拓扑结构 D 主干路带保护的树型拓扑 E 主 支路带保护的树型拓扑 利用不同的分光方案 可以构成花样繁多的网络结构 不同的分光方案举例如下图 2 EPON传输距离 OLT到ONU ONT的最远距离有两个因素影响无源光网络的传输距离 第一个是光功率 它由光线路终端 OLT 的激光器和线路损耗决定 第二个是光网络终端 ONU ONT 同时发射的风险 因为光网络终端共享光纤馈线和光线路终端的端口 所以 所有的设备都必须有一套复杂的算法以避免一个以上的ONT同时发射 如果发生了同时发射的情况 就会导致业务流发生碰撞 影响大多数业务无法继续 该算法要计算和调节各ONU ONT与OLT之间的距离差 距离产生延迟 当延迟增加时 ONT到OLT的传输窗口就会变窄 这直接影响ONT可用带宽的数量 因此要限制ONT和OLT之间的最大距离以保证ONT能有可接受的带宽性能 PON标准将这个最大距离定为20km 而多数厂商建议为10km 下图显示了PON和有源以太网的服务半径 对PON来说 在选择光分路器的位置时必须考虑OLT和ONU ONT之间的最大距离限制 图中黄色圆环代表了ONU ONT离OLT的最远距离 此例中为20km 绿色圆环代表了ONU ONT离分路器的最远距离 光分路器到OLT的距离决定了ONU ONT到分路器的距离 二者之和不能超过20km 图中给出了两个例子 一个是分路器距离OLT19km 因而其服务半径只有1km 二是分路器距离OLT10km 因而其服务半径为10km 在两个服务区域内都有32个ONU ONT 这就导致需要进行复杂的权衡 并且需要经常评估下列情况 如果在ONU ONT的服务半径内少于32个用户 每用户分摊的OLT成本就很高 如果在ONU ONT的服务半径内多于32个用户 仅仅为了支持第33个用户 就需要增加OLT端口 结果导致每用户分摊的OLT成本陡增 如果在现有的ONU ONT服务区域以外有新用户 就要增加一个OLT端口 结果导致每用户分摊的OLT成本非常高 如果在OLT的20km服务半径以外有新客户 就需要在一个新地点安装一个完整的OLT设备 结果导致每用户分摊的OLT成本非常高 与传输距离有关的光功率预算 其需要补偿PON中所有器件的损耗 但其总功率必须在普通单模光纤的SBS阈值以下 目前新型光纤的SBS阈值有所提高 因此可以适用于需要传输更大光功率的场合 4 EPON工作原理a EPON的层次模型对于以太网技术而言 PON是一个新的媒质 802 3工作组定义了新的物理层 而对以太网MAC层以及MAC层以上则尽量做最小的改动以支持新的应用和媒质 EPON的层次模型按照2003年1月发布的IEEE802 3ahDraft1 3规定如下 EPON采用单纤波分复用技术下行1490nm 上行1310nm 数字 模拟电视1550nm EPON是由OLT 光线路终端 ONU 光网络单元 以及ODN 光分配网络 由无源分光器和光纤组成 等单元构成的点到多点系统 其系统拓扑多为星型或树型分支结构 下行方向 由OLT到ONU 采用广播方式 每一个ONU将接收到所有下行信息 根据其MAC地址提取有用信号 上行方向 由ONU到OLT 采用时分方式共享系统 为了避免数据碰撞和公平的信道共享 采用OLT分配静态或者动态带宽的方式 给每个ONU分配一个时间没有重叠 时隙可变的传输窗口 用于ONU数据的传递 为了实现时隙的管理 IEEE802 3ah中采用了多点控制协议 MPCP 采用Report和GATE两个MAC控制消息来实现 OLT发送 门 GATE 消息 给ONU用来分配时隙 而ONU采用 报告 Report 消息 向OLT获取时隙或者请求时隙 通过接入控制机制将各个ONU有序接入 EPON的上 下行信息速率均为1Gb s 由于其物理层编码方式为8B 10B码 所以其线路码速率为1 25Gb s 由一根光纤采用波分复用实现全双工通信 其结构示意图如下图所示 b 每用户带宽在EPON中 因为所有用户终端共享OLT和光纤 所以每个用户终端的可用带宽也是共享的 可共享的总带宽取决于分光器的分光比 例如 EPON的分路比为1 32时 每个ONU的可用带宽是32Mb s EPON能以较低的分路比来提高每用户的带宽 但这又增加了每用户的成本 例如 EPON的分路比从1 32降到1 16 可使每用户的带宽增至64Mb s 但是每用户均摊的OLT的成本也翻番了 c EPON中的关键技术 多点控制协议MPCPEPON系统通过一条共享光纤将多个OUN连接起来 其拓扑结构为不对称的基于无源光分路器的树形分支结构 MPCP就是使这种拓扑结构适用于以太网的一种控制机制 EPON作为EFM讨论标准的一部分 是建立在MPCP Muti PointControlProtocol多点控制协议 基础上的系统 MPCP协议是MACcontrol子层的一项功能 MPCP使用消息 状态机 定时器来控制访问P2MP 点到多点 的拓扑结构 在P2MP拓扑中的每个ONU都包含一个MPCP的实体 用以和OLT中的MPCP的一个实体相互通信 为此 EPON实现了一个P2P仿真子层 P2P仿真子层是EPON MPCP协议中的关键组件 该子层通过在每个数据报的前面加上一个逻辑链路标识LLID LogicalLinkIdentification 该LLID将替换前导码中的两个字节 它可使P2MP网络拓扑对于高层来说表现为多个点对点链路的集合 PON将拓扑结构中的根结点认为是主设备 即OLT 将位于边缘部分的多个节点认为是从设备 即ONUs MPCP在点对多点的主从设备之间规定了一种控制机制以协调数据有效的发送和接收 系统运行过程中 上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送 位于OLT的高层负责处理发送的定时 不同ONU的拥塞报告 以便优化PON系统内部的带宽分配 EPON系统通过MPCP来实现OLT与ONU之间的带宽请求 带宽授权 测距等 MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的分配 ONU的自动发现和加入 向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽 MPCP多点控制协议位于MACControl子层 MACControl向MAC子层的操作提供实时的控制和处理 系统同步 系统同步是指由于EPON上行为多点到一点的拓扑结构 每个ONU发送时隙必须与OLT的系统分配的时隙保持一致 以防止各个ONU上行数据发生碰撞 ONU侧的时钟应与OLT侧的时钟同步 EPON时钟同步采用时间标签方式 在OLT侧有一个全局的计数器 下行方向OLT根据本地的计数器插入时钟标签 ONU根据收到的时钟标签修正本地时钟 使本地时钟与OLT时钟同步 完成系统同步 上行方向ONU根据本地时钟插入时钟标签 OLT根据收到的时钟标签完成测距 ONU的自动识别 ONU自动识别的目的是通过系统的自动运行 不需人工干预完成对新ONU的发现和注册 使新ONU能够自动加入到EPON系统而不影响其他ONU运行 EFM对解决注册冲突提出了两种方案 随机延迟时间 发生注册冲突时 发生冲突的ONU仍然每次都响应注册授权 但是在响应开窗时随机延迟一定时间 但必须保证ONU随机延迟后的应答仍然可以落在开窗内 采用随机延迟时间的方法可以缩短ONU加入系统的时间 但是需要增大注册开窗的长度 这样会降低系统的带宽利用率 随机跳过开窗 发生注册冲突时 发生冲突的ONU随机跳过若干个注册授权后才重新响应 如果注册授权的周期为1s 那么发生冲突的ONU可随机延时1 8s 系统可配置 然后继续等待注册授权 采用随机跳过开窗的方法比随机延迟时间需要多花一些时间 但是不需增大注册开窗 不会影响系统的带宽利用率 EPON中TDM业务的传输尽管数据业务的带宽需求正快速增长 但现有的电路业务还有很大的市场 在短期内仍将发挥其巨大的作用 在今后几年内仍是业务运营商的主要收入来源 所以在EPON系统中承载电路交换网业务 将分组交换业务与电路交换业务结合有利于EPON的市场应用和满足不同业务的需要 因此 现在的EPON实际都是考虑网络融合需求的多业务系统 EFM对TDM在EPON上如何承载 在技术上没有作具体规定 但有一点是肯定的就是要兼容以太网帧格式 如何保证TDM业务的质量实际上也就成为多业务EPON的关键技术之一 EPON中信息安全的考虑根据IEEE802 3ah规定 EPON系统物理层传输的是标准的以太网帧 对此 802 3ah标准中为每个连接设定LLID逻辑链路标识 每个ONU只能接收带有属于自己的LLID的数据报 其余的数据报丢弃不再转发 不过LLID主要是为了区分不同连接而设定 ONU侧如果只是简单根据LLID进行过滤很显然还是不够的 为此 IEEE802 3ah工作组从2002年下半年起召开几次的会议 专门讨论有关EPON的链路安全性的问题 会议就关于安全性的问题是单独放在EPON中解决 还是放到整个802体系中解决 决定单独成立一个任务组结合EPON的具体情况 负责整个802体系的安全性问题的研究和解决 2003年1月份以原EPON安全小组的主要成员为主的新的工作组已经召开会议 将在尽量保证以太网体系架构的基础上 结合802 1x 802 10等已有以太网关于安全性的协议 加强和完善EPON和其他以太网应用的安全性 EPON中的以太网管理对于以太网来说 第一英里接入是一个全新的应用 因此 它要求一个完整的新的电信级的管理 和传统的局域网不同 在第一英里的终端用户不是按照以太网业务提供者的要求而配置的 第一英里包括局端设备 OLT 和远端设备 ONU 因此 局端设备必须要有能力监测业务提供网络和用户驻地网络之间的物理链路和设备的一些重要的信息 EFM工作组已经决定提供的OAM功能包括 远端错误指示 远端环回 链路监视 OAM的消息通道 采用长度 类型域为8809的慢协议帧传送OAM消息 5 EPON面临的挑战以及解决方法以太网无源光网络 EPON 的很大一个优势就是在利用丰富的带宽开展多种业务和应用 如实现三重服务 tripleplay 为最终的三网合一奠定良好的基础 目前可以开展的业务有语音 包括POTS和VoIP 视频点播 VOD 标准电视和高清电视 STVandHDTV 视频会议 实时或者准实时的电子交易和数据等等 针对以上各种不同的业务 各电信运营商纷纷推出各种接入业务种类 针对不同的用户需求 在传输带宽 质量和价格等方面提供差异性的接入服务 下列表格列出了一些基本的业务类型以及相应的要求 表格 常见接入业务类型及其带宽需求 从表中我们可以看到 针对不同的业务 需要的带宽不同 对服务质量 QoS 以及服务等级 CoS 的要求也差异很大 为了确保与IEEE802的结构兼容 EPON采用了点到点仿真技术 使得EPON介质成为一系列点到点链接的组合 根据IEEE802 3ah规定 EPON系统物理层传输的是标准的以太网帧 对此 802 3ah标准中采用逻辑链路标识方式 LLID 为每个不同的ONU分配一个不同的LLID 这样每个ONU只能接收带有自己的LLID的数据报 其余的数据报丢弃不再转发 在这样一个接入网中 每个ONU可能会有一个或者多个用户 而每个用户可能会有一种或者多种业务 而每个业务 如视频 语音和数据 可能会有不同的服务等级 CoS 对服务质量 QoS 有不同的要求 a LLID的分配 每个ONU分配一个LLID在这样的配置中 OLT会分配给每个ONU一个不同的LLID 这样 从带宽分配机制上 将会变成一个分级的带宽分配结构 上层的OLT负责ONU的带宽分配 根据ONU的请求和网络现状 分配给而每个ONU的一定的带宽 而ONU根据自身业务种类和业务的要求 再进行带宽分配 如下图所示 不同等级的带宽分配方式这种分配方法最大优点在于 因为带宽分配过程中会产生很多MPCP管理帧 而这些帧的传递会浪费大量的带宽 采用这种方法 可以减少管理帧的传递 提高带宽利用率 但是采用分级的带宽分配的方式存在如下问题 按照 完全优先级队列 的带宽分配方式在这种带宽分配方式中 所有的业务只有在更高级别的所有业务传递完成后才能进行传递 有两种方法来实现 ONU中业务的抢占式排队在这种传输机制中 低优先级的业务艰难生存 因为当OLT分配给ONU的时间窗到达的时候 ONU根据相应的授权 进行业务的传递 数据的传递根据业务的优先级进行排序 逐步发送 与此同时 当新到达的数据包拥有更高的优先级的时候 它们就会抢占那些正在等待发送的低优先级的数据的时隙 那些低级的业务就会被迫留在缓存区内等待下次发送 这样的状况可能会发生很多次 导致低优先级的业务会经过很多个周期的延迟 如果这个业务的优先级越低 那么这种时延的时间可能会更长 这种机制带来的另外的一个问题就是传输包的变化 由于上报的数据和ONU请求的数据不同 传输包会和上报内容不一致 考虑到和IEEE802 3兼容的问题 很有可能会出现以太数据无法成帧的尴尬局面 ONU中非抢占式排队在ONU中使用非抢占式排队的传输机制 会减轻低级业务延迟大的局面 但是将会带来新的问题 在这样传输机制中 OUN会根据预先上报的请求的队列 依次进行数据的传递 即便是有更高级别的业务需要传递 ONU也不会响应 这样做一个缺点就是由于新的业务的传递 都要等到上一个传输周期完成后 经过本次ONU的请求以及OLT的响应后才能进行 所以会增加数据排队的时延 下列表格表明对于高优先级的业务时延周期会有1ms 表格 高优先级的业务时延为1ms 非抢占式传送机制带来的时延对于那些高级别的业务像系统告警 失效指示等等会带来很大的问题 对于那些如语音 视频等时延要求小的业务来说 这种传送机制将很难保证这类业务的传输质量 QoS 如ITU TG 114中对于语音业务的规定一样 要求语音在接入网中的时延要小于1 5ms 在EPON系统中 除非采用特殊的方法 否则时延很难控制在该范围内 通过以上的分析可以看到 如果仅仅采用分配给一个ONU一个LLID的方法 很难保证业务的公平性 对业务也很难提供保护 基于业务分配LLID为了解决EPON系统中分配ONU一个LLID过程中遇到的各种问题 采用针对不同业务分配不同LLID的方法 如下图示 该方法是目前简单而又最有效的方法 这样一方面消除了在ONU处重新进行带宽分配和业务整合的工作 将所有的工作都统一由OLT进行集中监管 调度和分配 OLT接受来自带有不同LLID的业务上报 Report 的请求 然后通过门 Gate 消息分发给不同业务的授权 这样的话 OLT可以很容易的限制一个业务的带宽而给其他的业务分配更多的带宽 在这样的系统中 ONU也变得非常简单 在这种方法中 由于每个业务需要分配一个LLID 因此需要占有更多的开销 每种业务一个LLID 单级带宽分配 这种分配方法保证了各个用户或业务可以保证公平性 有利于保证业务的QoS 服务质量 尤其对时延敏感性业务 可以降低接入时延 b EPON的可靠性在EPON系统的网络拓扑结构中 主要有树形 星形等结构 无论采用何种网络结构 业务都是通过OLT 主干光纤 trunkfiber 分支光纤 branchfiber 然后到达每一个ONU 如果OLT或主干光纤发生故障 整个系统就会陷入瘫痪 这样的网络结构是非常脆弱的 无法适应现代网络运营的要求 EPON网络故障造成的损失十分巨大 它不仅使现有的业务无法运营 使运营商无法获取相关的收益 更为严重的是它会降低运营商在用户心中建立起来的信誉 增加用户的离网率 因此 在当今网络保护显得越来越重要的情况下 对于EPON采用必要的自动保护倒换 APS 不仅能有效的解决业务传递的连续性 更可以提高EPON系统的生存性 稳定性 提供业务的服务质量 同时也将提高运营商的收益 为了解决现有网络系统中存在的缺陷 需要把APS技术运用到EPON系统中 建立新型的具有自愈功能的EPON系统 满足运营商运营的要求 EPON自愈网是基于传统的EPON结构所建立的一种新型网络 它与传统的EPON系统相比 具有控制简单 生存性强等突出特点 所谓网络自愈 是指无需人为干预 网络在极短的时间内从失效的故障状态自动恢复传输所携带的业务 使网络具备一种可替代的传输路由 具有自愈功能的EPON系统主要针对系统应用中的一些故障做保护 EPON系统的故障可以分为线路故障 设备故障两大类 针对这两类故障实施的保护也有两种 线路故障 主要分成主干光纤故障和枝干光纤故障 主干光纤故障或光纤插损过大 由于EPON系统是通过光纤和很多无源光器件进行传输的 因此主干光纤或者光无源器件发生故障时 会影响整个系统的业务传输 主干光纤的故障主要有光纤断裂或者损坏 或者由于外界的力量产生扭曲 变形使插损超过门限值导致业务中断 该类型故障产生的后果就是整个系统无法正常工作 该类型的故障优先级最高 因此必须杜绝发生 枝干光纤故障 枝干光纤的故障也主要是光纤断裂或者插损过大 该类故障将会导致一个或者多个ONU业务无法传递 相对与主干光纤断裂 该类故障的优先级较低 应尽量避免发生 解决的方法是设计和增加保护路由的主干光纤和分支光纤 设备故障 主要有OLT故障和ONU故障两大类 OLT故障 OLT作为EPON的核心 不仅要完成所有ONU的认证 鉴权 管理等等工作 而且还有负责OUN的测距 动态带宽分配 DBA 以及数据的交换 如果OLT出现故障 连接到该OLT的所有ONU都无法正常工作 OLT故障的原因有很多 有可能是硬件的 也可能是软件的 有可能是芯片的 也有可能是模块的 有可能是光路的 也可能是电路的 等等 该类型的故障导致的后果就是整个系统无法正常工作 该类型的故障优先级最高 因此必须杜绝发生 ONU故障 ONU作为用户与外界数据交换的平台 负责用户业务的传递 如果ONU出现故障 将会影响该用户的所有业务 一般情况下不会对整个网络造成影响 其影响一般是个体的 少数的 相对于OLT故障 该类故障的优先级较低 应尽量避免发生 解决的方法是OLT和ONU增加备份设备 EPON运行方框图EPON采用单纤波分复用技术下行1490nm 上行1310nm 数字 模拟电视1550nm 三 EPON实际系统 1 EPON优点1 局端 OLT 与用户 ONU 之间仅有光纤 光分路器等无源光器件 无需机房 无需配备电源 无需有源设备维护人员 2 采用单纤波分复用技术 下行1490nm 上行1310nm 或下行1550nm 上行1490nm 仅需一根主干光纤和一个OLT 传输距离可达20公里 在用户侧通过光分路器分送给最多32个ONU 因此可大大降低OLT和主干光纤的成本压力 3 上下行均为千兆速率 下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽 上行利用时分多址接入 TDMA 共享带宽 高速宽带 充分满足接入网客户的带宽需求 并可方便灵活的根据用户需求的变化动态分配带宽 4 点对多点的结构 只需增加ONU数量和少量用户侧光纤即可方便地对系统进行扩容升级 充分保护运营商的投资 5 EPON具有同时传输TDM IP数据和视频广播的能力 其中TDM和IP数据采用IEEE802 3以太网的格式进行传输 辅以电信级的网管系统 足以保证传输质量 通过扩展第三个波长 通常为1550nm 即可实现视频业务广播传输 2 EPON的标准目前市场上主流的PON技术以及标准化情况如表1 3 EPON的光接口 工作在10km范围的光接口1000BASE PX10 U D和工作在20km范围的EPON光接口1000BASE PX20 U D EPON接口的基本特性见表2 4 OLT功能OLT主要具有网络集中和接入的功能 向上的接口有 TDM PSTN接口 IP网接口 电视信号接口 其它网络接口 向下的接口有 波分复用器 WDM 接口 网络管理接口 OLT支持的业务和功能有 IP ATM FR TDM话音业务 视频点播和T1 E1业务 带宽分配 QoS OAM 网络安全等 5 PON功能PON是一个简单的无源设备 它由光纤分路器组成 用于连接OLT和多个ONU 并进行光功率分配 通常 一个分光器的分线率为8 16 32 并可以多级连接 6 ONU功能ONU接收从WDM来的光信号 向下提供各种应用接口 如10 100Mbit s以太网接口 电话接口和有线电视接口 支持数据 话音和视频等业务 负责将上行数据传送到OLT 提供以太网第二层和第三层的交换功能 实现内部的路由选择 7 系统工作原理1 传输方式系统采用单光纤3个波长来传输全业务 EPON中OLT两个上 下行波 1310 1490nm 通过波分复用 用于传输数据 语音和IP交换的数字视频 IP SDV 第三个波长 1550nm 用于下行CATV射频的传输 采用这种设计 PON可以覆盖20km以内16个以上的光节点 电视信号通过HFC网络广播来实现 IP 话音 视频点播等双向业务通过EPON来运行 2 EPON下行方向多种业务信号通过骨干网传输到中心局 前端 然后被OLT变换为光信号 为用户服务采用的是广播方式 经PON分配到ONU单元 由ONU的光 电转换及相应处理后 每个ONU根据每个数据包的地址信息 接收属于自己的数据包 每个ONU根据以太帧所带有的MAC地址相关信息 确定该以太帧是被接收或被遗弃 原理如图 下行传输原理图 3 EPON上行方向上行采用时分多址接入 TDMA 系统在进行测距和时延补偿后 OLT根据一定的原则将不同的时隙分配给各个ONU 每个ONU的上行信号再进入光分配器的共用光纤 正好占据分配给它的一个指定时隙 以避免不同ONU上传的数据发生相互碰撞干扰 原理如图 上行传输原理图 8 EPON系统特点1 系统能提供高带宽 EPON向用户提供的带宽是目前PON系统中最高的 在本地的IP中下行速率可以达到1Gbps 最多达64个ONU的上行速率可以超过800Mbps 2 协议转换成本低 EPON采用以太网的传输格式同时也是用户局域网 驻地网的主流技术 二者具有天然的融合性 消除了复杂的传输协议转换带来的成本因素 3 系统成本低 建设周期短 相对非PON系统而言 采用PON结构节省了大量光纤和有源关器件的投入及运营成本 由于大多HFC接入网都采用星型网结构 该结构与EPON十分相似 因此 在现有的HFC网络中采用EPON 不需要对现有的HFC网络进行双向改造 只需在原来的光网络上做简单的配置 可在较短的期间内完成网络的升级 快速实现宽带用户接入 从而使运营商能较快实现盈利 4 安全性高 EPON下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽 上行利用时分多址接入共享带宽 支持VLAN VPN IPSec和通道技术等 提供安全的网络接入 5 更好的QoS 系统没有双向HFC CableModem的回传噪声缺陷 此外 EPON具有同时传输TDM IP数据和视频广播的能力 其中TDM和IP数据采用IEEE802 3以太网的格式进行传输 辅以电信级的网管系统 足以保证传输质量 使得CATV运营商可以开发宽范围的 灵活多样的服务产品来增加收入 增强CATV运营商的市场竟争力 与传统MC LAN光接入比较 2层交换机 3层交换机 小区中心机房 城域机房 小区2级机房 楼道交换机 OLT C1000 ONU 双芯光纤 光纤收发器 L2SW交换机 MC LAN网络结构 EPON网络结构 城域机房 单芯光纤 分路器 成本比较区间 M3000 H300 ODN IP IP 3层交换机 10 EPON网络结构 可采用不对称分光比分支器 保证每条链路在设备光接受灵敏度范围内 总线型 最大为1 32的光分支比 传输距离20km 适用于用户较集中的情况 树型 传输方式系统采用单光纤3个波长来传输全业务 OLT上 下行波长 1310 1490nm 通过波分复用 用于传输数据 语音和视频点播等双向业务 第三个波长 1550nm 用于下行CATV射频信号传输 采用这种设计 PON可以覆盖20km以内32个光节点 11 实际产品 1 盛立亚公司 在广电网络中的应用 光纤到户 2 华为公司OLT产品包括6506R 6506 6503 6502四种机箱 外形结构如下图所示 S6502 2槽 S6503 4槽 S6506 7槽 S6506R 8槽 ONU产品为CPE设备 外形结构如下图所示 ET204ET204 L20ET300ET300 L20 S2008 HIS2016 HIS2403H HIS2000 HI系列交换机 内置ONU模块 EOC 3 飞鸿公司C1000C8000 4 入户方案考虑因素 用户数及其结构分布楼栋和机房的供电方式工作环境用户需求业务接入方式目前网络存在的安全问题网管方式 3幢180户的住宅楼 机房220V交流供电 光纤到户 南方气候 保证每户30M带宽 数据业务和VOIP业务 举例说明 统一集中网络管理 单元1 12户 单元3 6户 单元3 6户 单元4 12户 单元5 12户 1 楼60户 单元2 12户 2 楼60户 3 楼60户 中心机房 例子 小区结构分布图结构特点 机房距离住宅楼2KM 三栋楼间距150M 成直线分布 单元1 12户 单元3 6户 单元3 6户 单元4 12户 单元5 12户 1 楼60户 单元2 12户 2 楼60户 3 楼60户 光纤到楼宽带接入拓扑图 1户一个ONU 12芯光缆6路PON信号 4芯光缆各2路PON信号 机房 1 32光分路器 网络拓扑设计 带宽分析根据整个网络的上行出口带宽 局域网交换机之间互连端口的带宽和整个网络的用户数进行分析 可以得出每个用户在局域网间和出口的最低带宽是多少 哪个节点会造成瓶颈 5 带宽分析 PON按照1 32的分支比组网 满负荷时平均每户可以保证30M带宽 上联业务接口按照30 开通率来计算 需要配备1 2个千兆业务接口 6 流量分析 交换容量分析根据用户数和每个用户可能达到的最大流量得出乘积 从网络最底层的交换机开始逐层往上分析 看OLT的背板带宽是否能满足其接收流量的交换 3幢180户的住宅楼 每户要求保证30M带宽 按照30 的开通率 带宽 180 30 30 M 1620M背板带宽 2 1620M 3G左右 网络布线及设备数量的选配根据楼栋和中心机房之间的距离分布选择用哪种网络结构 根据楼道供电方式选择交流 直流或者需要远程供电 根据每栋楼的用户数计算需要多少台和几端口的局端和终端设备 7 方案分析 供电 用户家均采用220V交流供电 C8000局端设备采用 48V直流供电 C1000局端设备采用220V交流供电 PON数目 180 32 6 C8000 2个带3个PON口LPU盘 C1000 2台带3个PON卡的OLT VOIP网关 E1 32个时序 30路提供给用户数据 1路复用8户 180户需要1路E1信号 8 OLT设备选配 硬件指标背板带宽MAC地址表容量端口特性 类型 速率 数量 工作环境工作电压 供电模式尺寸扩展模块类型用户容量功能特性支持的协议类型支持的功能 FiberLinkC8000 FiberLinkC1000 9 ONU设备选配 选用M3006型ONU终端提供4个数据口和2个电话口 采用FiberLinkC1000系列OLT FiberLinkC1000典型组网应用图 采用FiberLinkC8000系列OLT FiberLinkC8000典型组网应用图 设计考虑 1 OLT每千兆端口可带用户数OLT既是一个交换机或一个路由器 又是一个多业务提供平台 MSPP 它为PON提供光纤接口 根据以太网向城域网及广域网发展的态势 OLT在提供常用接口的同时还将提供多个Gbit s和10Gbit s的以太网接口 在目前的运用中 多数情况下 每个OLT提供4个千兆光口 通过如下计算可以得到每个千兆口可带的标清IPTV用户数为 每个用户的业务量和带宽 媒体流数据量 VOD视频流 2Mbps VOD音频流 64kbps 编码器编码误差 100kbps 2 15Mbps 媒体流输出带宽 媒体流数据量 MPEG的PS流封装报文头和PES开销 平均150kbps 2 3Mbps 业务流网络带宽 媒体流输出带宽 1 网络协议封装开销 5 2 4Mbps 网络总流量 业务流网络带宽 1 网络流量平均抖动 5 2 5Mbps 根据以上计算 如果再加上其它网络传输开销 每用户所需带宽为3Mbps 若下行带宽利用率为95 则每千兆端口可带300个用户 按20 的安装率可覆盖用户1500户 按每楼栋 6层 4单元 一层2户 50户计算可覆盖30栋楼 如果考虑同时上线率其覆盖范围还将扩大 若考虑HDTV接入 用户带宽将增加5倍以上 每千兆端口可带用户数计算方法同上 此数据对于我们合理设计ODN结构和ONU的数量是非常必要的 2 OLT的最佳安装位置OLT以放置在城域网络的分前机房为佳 它上联汇聚交换机 下联无源光网络 通过光纤连接到小区后再经过光分路器分路到多个ONU 如果把OLT放在小区内 通过1或2个千兆上联端口连接到端局的汇聚交换机 干路光纤的需求量与以上方案基本相同 但还需要在小区内提供机房并解决供电及环境保证 另外 由于设备远离机房 运行维护不方便 会造成运维方面支出的提高 此外 一个小区的用户数量可能与OLT的支持数量不匹配 如果把OLT放在小区机房内 很可能会造成一些OLT端口的闲置 造成设备总投资的浪费 如果把OLT放置在分前端机房 则可以通过OLT连接多个小区 充分利用OLT的端口 3 ODN的设计与应用EPON系统中ODN位于分布的光网络中 包括单模光纤 光分路器 光耦合器等 OLT采用单纤波分复用技术 通过POS与ONU ONT连接 传输距离可达20公里 在ONU侧通过光分路器分送给多达32栋楼或用户 因此可大大缓解主干光纤资源匮乏的压力 这一点对中小城市尤为重要 在ODN的设计中主要涉及到光缆布线 安全保证 光分路器的级联等问题 ODN系统的设计主要与城市居民小区的物理分布有关 常规结构的ODN设计较为简单 如下例举了ODN设计中的两种光分路器级联的方案供参考 第一种方案 需覆盖的小区数量在2个以上 小区较大 且分散 例如 4个小区 每小区16栋楼 各小区相距2KM以上 可采用下列光分路器级联的方式进行设计 由于光分路器的级联与其级数无关 而与整个ODN系统的损耗有关 4个小区 每小区16栋楼共计64栋楼 可用2个PON口进行覆盖即可 如下图 此设计方案可大量节省光纤 使布线更加灵活 减少了布线过程中所遇到的各种麻烦 其链路损耗如下 1 4光分路器衰耗 6dB 1 16光分路器衰耗 12dB 光纤衰耗 0 3dB KM 链路总损耗为 6 12 7 3 0 3 20 19dB 如OLT发射功率为0dBm ONU接收光功率为 26dBm 0 26 26dB 20 19dB链路总损耗满足要求 第二种方案 需覆盖的小区数量在2个以上 小区较小 且集中 例如 16个小区 每小区4栋楼 各小区相距0 5KM以内 设计方案如下图 此方案虽然形式上看与方案1有区别 但其设计理念及出发点却是相同的 即在节约大量光纤的同时减少了施工中遇到的麻烦 ODN系统设计中对ODN的一项最重要要求是ODN的可逆性要好 输入 输出口对调后不能导致通路损耗的重大变化 这样上下行通路的设计就简单了 另外 光分路器等无源器件应能支持1310nm和1550nm波长区内的任一波长的信号传输 为将来的WDM系统应用提供基础 4 ONU ONT的设计与应用EPON系统中的ONU ONT的主要功能为 用户提供EPON系统的接入功能 选择接收OLT发出的广播数据 响应OLT发出的测距及功率控制指令 在在EPON LAN的系统应用中以楼为单位设置ONU 即每楼一个ONU 一般放置整楼中间单元 这样布局有利于对其它单元交换机的业务进行汇聚 因为楼内的LAN系统采用5类线 最远传输距离为100米 EPON系统设计中 由于不同ONU距OLT的距离相差较大 会对ONU产生两方面的影响 光功率的限制 光路传输产生的不同时延 EPON系统通过时间同步与测距补偿机制来控制光路传输产生不同时延的影响 对距离差没有特殊要求 对于光功率的限制主要是经过光路的各类损耗后 光传输距离的损耗 光分路器的分光 各类光器件的插入损耗等 光功率值应控制在ONU光器件的过载光功率与接受灵敏度范围内的 ONU光器件过载光功率为 5dBm ONU光器件接受灵敏度为 26dBm 此时可保证ONU正常工作 6 EPON入户的经济方案EPON是实现光纤到家的最佳方案之一 但是 FTTH是长远发展方向 虽然目前单位用户造价已经低于初期CM和ADSL的造价 但只有在高带宽需求的地方才能成为性价比较高的方案 在高带宽需求不足 宽带用户开通率很低的情况下 单位用户建设 维护成本都还较高 100 开通时建设成本2100元以上 5 开通时建设成本近6000元 因此 广电城域网的接入网采用EPON到楼的结构时 OUN输出的以太网信号如何入户就成为需要解决